基于單片機(jī)的多生理信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的多生理信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)〔〕:

摘要：為了讓學(xué)生加深對單片機(jī)工作原理的理解與應(yīng)用，根據(jù)?單片機(jī)原理及應(yīng)用?課程教學(xué)大綱精心設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的多生理信號(hào)采集系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例通過設(shè)計(jì)、仿真、制作和調(diào)試一套多生理參數(shù)的檢測系統(tǒng)，讓學(xué)生可以系統(tǒng)地掌握單片機(jī)的根本原理、設(shè)計(jì)方法及外圍電路的制作和調(diào)試技巧，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步掌握單片機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的理論才能、創(chuàng)新才能和團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)他們的分析問題和解決問題的才能。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；生理信號(hào)；多路采集；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

本文引用格式：禹旺兵等.基于單片機(jī)的多生理信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)[J].教育現(xiàn)代化，2022，6〔66〕：194-196.

AnExperimentalTeachingCaseEesignofMulti-physiologicalSignalDetectingSystemBasedonSingleChipMicroputer

YUWang-bing，ZOUXiao

〔SchoolofPhysicsandElectronics,HunanNormalUniversity,Changsha,Hunan,China〕

Abstract:Accordingtotheteachingoutlineof"principlesandapplicationsofsingle-chipmicroputer",amulti-physiologicalsignaldetectingsystembasedonsingle-chipmicroputeriselaboratelydesignedtoimprovetheunderstandingandapplicationoftheprincipleofsingle-chipmicroputer.Throughdesigningproject,simulatingexperiment,andfabricatinganddebuggingamultiplephysiologicalparametersdetectionsystem,thecasemakessystematicallythestudentstomasterthebasicprincipleofsinglechipmicroputer,designmethod,andtheskillsoffabricatinganddebuggingthesignaldetectingsystem,andimprovetheirpracticalability,innovationabilityandtheteamcooperationspirit,cultivatetheirabilitytoanalyzeandsolveproblems.

Keywords:singlechipmicroputer;physiologicalsignals;multichanneldetectingsystem;experimentalteachingcase

近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理以及傳感技術(shù)的開展，人體生理參數(shù)諸如心音、脈搏、體溫、血壓等信號(hào)的采集從傳統(tǒng)的機(jī)械化轉(zhuǎn)向電子化，而且不斷向著自動(dòng)化和智能化的方向開展，采集的生理參數(shù)越豐富越精細(xì)，其結(jié)果就越準(zhǔn)確可靠，因此多生理信號(hào)采集系統(tǒng)在臨床診斷治療和醫(yī)學(xué)教學(xué)研究中具有非常重要的意義。基于單片機(jī)的多生理信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)多生理信號(hào)采集系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)及時(shí)準(zhǔn)確地采集心音、脈搏、體溫、血壓等生理信號(hào)。同時(shí)采集系統(tǒng)通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連，將采集到的人體生理數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)建立個(gè)人的安康檔案，還可以將這些信息作為臨床醫(yī)學(xué)研究的樣本分析數(shù)據(jù)。通過該工程的構(gòu)思設(shè)計(jì)、傳感器的選擇、放大電路和濾波電路設(shè)計(jì)等方面的工作，穩(wěn)固了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)的原理與應(yīng)用以及傳感器與檢測技術(shù)等課程的根底知識(shí)和根本理論，既鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新才能和理論才能，又培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)研究和進(jìn)入工業(yè)界從事工程研究所需的實(shí)用技能。同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生的理論才能、創(chuàng)新才能和團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)他們的分析問題和解決問題的才能。

一案例教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中需要掌握的有關(guān)理論知識(shí)主要包括模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路、單片機(jī)原理及應(yīng)用、微機(jī)原理與接口技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)等，以及一些與實(shí)際工程相關(guān)的系統(tǒng)測試方法、控制和調(diào)試技巧方法。

〔一〕實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

該實(shí)驗(yàn)工程在方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，根據(jù)選取方法的多樣化確定適宜的技術(shù)方案，既可以引導(dǎo)學(xué)生理解一些常見的人體生理特征參數(shù)采集原理及指標(biāo)范圍，又進(jìn)一步加深他們對傳感器與檢測技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路、單片機(jī)原理及應(yīng)用、微機(jī)接口技術(shù)等課程知識(shí)點(diǎn)的理解。在整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程需要建立團(tuán)結(jié)協(xié)作和工程工程理念，從技術(shù)方案的選定、傳感器模塊的選擇、實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)、軟件仿真、測試環(huán)境的搭建過程、系統(tǒng)調(diào)試等方面要求學(xué)生合理分工、明確目的，進(jìn)步他們的專業(yè)技能和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

〔二〕實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)

該生理信號(hào)采集系統(tǒng)主要完成心音、脈搏、體溫、血壓等信號(hào)的采集與測量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和任務(wù)主要包括：

1.選擇適宜的心音、脈搏、體溫、血壓傳感器；

2.設(shè)計(jì)放大電路將生理信號(hào)放大至適當(dāng)?shù)姆秶?；抑制噪聲信?hào)不大于15mV；

3.采用適宜的電路將心音、脈搏、體溫、血壓以數(shù)字的方式顯示，假設(shè)信號(hào)超出某一參考范圍，那么給出報(bào)警信號(hào)。

〔三〕實(shí)驗(yàn)過程及要求

1.理解人體生理參數(shù)諸如心音、脈搏、體溫、血壓等信號(hào)的特點(diǎn)以及醫(yī)學(xué)上的測試要求；

2.根據(jù)人體生理參數(shù)的特點(diǎn)及醫(yī)學(xué)上的要求選擇適宜的傳感器，制定以上各種信號(hào)測量放大電路的帶寬、放大倍數(shù)、輸入輸出電阻等；

3.設(shè)計(jì)各模塊適宜的電路，并通過Multisim等仿真軟件對測試系統(tǒng)進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)；

4.記錄各主要功能電路的輸入輸出波形，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并對設(shè)計(jì)過程進(jìn)展分析和總結(jié)。

〔四〕實(shí)驗(yàn)原理及方案

1.系統(tǒng)構(gòu)造

2.實(shí)現(xiàn)方案

〔1〕傳感器選擇

心音傳感器：主要有空氣傳導(dǎo)式、接觸傳導(dǎo)式和加速度式三大類型?？諝鈧鲗?dǎo)式心音傳感器是心音波經(jīng)空氣傳遞到傳感器的敏感振動(dòng)膜，振動(dòng)膜帶動(dòng)換能元件并使其產(chǎn)生與心音強(qiáng)度成比例的輸出信號(hào)。空氣傳導(dǎo)的心音傳感器通?？刹捎秒姶鸥袘?yīng)式、壓電式和電容式等原理制成。接觸傳導(dǎo)式不采用空氣作為傳遞心音信號(hào)的媒介，而是將心音信號(hào)直接通過敏感元件傳遞到換能元件，因此其抗干擾才能強(qiáng)，效率高。加速度式是利用加速度傳感器來檢測心音信號(hào)的，由于加速度傳感器重量輕、尺寸小，頻響為10-800Hz，甚至更高，且抗干擾才能強(qiáng)，是目前應(yīng)用較廣的一種心音傳感器。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中提供的是接觸傳導(dǎo)式心音傳感器。

脈搏傳感器：脈搏傳感器即是用來檢測動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力變化，將之轉(zhuǎn)換成可以被更直觀觀察和檢測的電信號(hào)。按照采集信號(hào)的方式主要可以分為壓電式、壓阻式、光電式等三種。其中壓電式和壓阻式通過微壓力型的材料〔壓電片、電橋等〕將脈搏跳動(dòng)的壓力過程轉(zhuǎn)換為信號(hào)輸出。光電式脈搏傳感器那么通過反射或?qū)ι涫降姆绞?，將血管在脈搏跳動(dòng)過程中透光率的變化轉(zhuǎn)換為信號(hào)輸出。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中提供的是光電式脈搏傳感器。

體溫傳感器：用于人體溫度測量，要?jiǎng)?wù)實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。常見的傳感器有熱輻射傳感器、壓電式傳感器、熱電阻傳感器、光纖溫度傳感器等。本實(shí)驗(yàn)采用光纖式溫度傳感器。

血壓傳感器也是一種壓力傳感器，它是能感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號(hào)的器件或裝置。

〔2〕放大電路

儀表放大器電路的典型構(gòu)造如圖2所示。它主要由兩級差分放大器電路構(gòu)成。其中，運(yùn)算放大器A1、A2構(gòu)成同相輸入方式，同相輸入具有較高輸入阻抗的特點(diǎn)，這樣可以盡可能地減小放大電路對信號(hào)源索取電流，使微弱的生理信號(hào)全部作用到放大電路。

〔3〕濾波電路

生物信號(hào)的濾波處理主要包括有源低通濾波和50Hz陷波。有源低通濾波器，一般由集成運(yùn)算放大器與RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，有源低通濾波電路可以通過低頻信號(hào)，抑制或衰減高頻信號(hào)。它具有體積小、重量輕、本錢低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于集成運(yùn)算放大器的開環(huán)增益和輸入阻抗高，輸出阻抗低，故由集成運(yùn)放構(gòu)成的有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。二階壓控電壓源低通濾波電路由兩個(gè)RC環(huán)節(jié)和同相比例放大電路構(gòu)成，電路如圖3所示。50Hz陷波電路利用集成運(yùn)算放大器和二階RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的有源雙帶阻濾波器，該濾波器作為抑制人體生理信號(hào)測量中的工頻干擾而經(jīng)常采用的陷波電路構(gòu)造。

〔4〕模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過程。本實(shí)驗(yàn)采用ADC0809芯片作為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。

二考核內(nèi)容與方式

實(shí)物驗(yàn)收：心音、脈搏、體溫、血壓這四種生理信號(hào)是否能全部采集，采集的信號(hào)是否滿足生理檢測的要求，是否能在指定時(shí)間內(nèi)完成〔50%〕。

實(shí)驗(yàn)質(zhì)量：生理信號(hào)采集方案的合理性，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，實(shí)際電路調(diào)試和焊接質(zhì)量，采集系統(tǒng)組裝工藝(20%)。

自主創(chuàng)新：采集系統(tǒng)各局部電路功能構(gòu)思及設(shè)計(jì)是否具有創(chuàng)新性，自主考慮與獨(dú)立理論才能(10%)。

實(shí)驗(yàn)本錢：是否充分利用實(shí)驗(yàn)室已有條件，材料與元器件選擇合理性，本錢核算與損耗(5%)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：測試數(shù)據(jù)和測量誤差(10%)。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告：實(shí)驗(yàn)報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)性與完好性(5%)。

三結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到的知識(shí)面比擬廣，主要包括傳感器與檢測技術(shù)、模擬電路、數(shù)字電路、信號(hào)放大與處理、單片機(jī)原理及應(yīng)用、接口電路等。不但需要較強(qiáng)的理論根底，還需要具備利用計(jì)算機(jī)對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)展仿真，同時(shí)還需要有較強(qiáng)的動(dòng)手才能，該實(shí)驗(yàn)有利于進(jìn)步學(xué)生的綜合才能。

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